جهد الاستعادة العابر (TRV) عند قطع التيارات الحثية الصغيرة بواسطة المفاتيح الكهربائية
تحليل الظواهر العابرة في الأنظمة الخطية باستخدام مبدأ التراكب
في تحليل الظواهر العابرة الناجمة عن عمليات التحويل في الأنظمة الخطية، يعتبر مبدأ التراكب أداة قوية. من خلال الجمع بين الحل المستقر الذي كان موجودًا قبل عملية الفتح وردود الفعل العابرة التي تسببها مصادر الجهد القصيرة ومصادر التيار المفتوحة، ومع الأخذ بعين الاعتبار التيار المحقون عبر نقاط التماس للمفتاح، يمكن الحصول على وصف شامل لعملية التحويل.
تحليل الظاهرة العابرة لعمليات الفتح
خلال عملية الفتح، يجب أن يصبح التيار المتدفق عبر نقاط التماس للمفتاح صفرًا بعد العملية. لذلك، يجب أن يكون التيار المحقون في النظام مساويًا للتيار الذي كان يتدفق عبر نقاط التماس للمفتاح قبل عملية الفتح. مع بدء فصل نقاط التماس، يتطور فورًا جهد استعادة عابر (TRV) عبر نقاط التماس. يظهر TRV فورًا بعد أن يصل التيار إلى الصفر ويستمر عادةً لبضع مللي ثوانٍ في الأنظمة الحقيقية. في الأنظمة الكهربائية العملية، تعتبر خصائص TRV حاسمة لأداء وموثوقية مفاتيح الدائرة.
أهمية جهد الاستعادة العابر (TRV)
فهم شامل للظواهر العابرة المرتبطة بعمليات مفاتيح الدائرة في الأنظمة الكهربائية يمكن أن يحسن بشكل كبير ممارسات الاختبار ويعزز موثوقية معدات التحويل. تحدد المعايير القيم الموصى بها لمحاكاة TRV، مما يساعد المهندسين على التنبؤ والتصميم بشكل أفضل لسلوك أجهزة التحويل.
أنواع مختلفة من تحويل الدائرة
يوضح الرسم البياني التالي TRV عند نقاط التماس لمفاتيح الدائرة عند قطع التيار في دوائر بسيطة للغاية. كل حالة تنتج موجات مختلفة، اعتمادًا على طبيعة الدائرة:
حمل مقاوم: بالنسبة للأحمال المقاومة النقية، ينخفض التيار إلى الصفر بسرعة بعد عملية التحويل، مما يؤدي إلى موجة TRV نسبيًا سلسة.
حمل مغناطيسي: بالنسبة للأحمال المغناطيسية، يصل الجهد عبر الملف إلى قيمته القصوى عندما يصبح التيار صفرًا. بما أن الملف يخزن الطاقة، والتي تحتاج إلى التبدد عبر مكونات أخرى (مثل المكثفات)، تحدث تذبذبات. هذه التذبذبات ناتجة عن نقل الطاقة بين الملف والمكثف.
حمل كهربائي: بالنسبة للأحمال الكهربائية، ينخفض التيار تدريجيًا بعد عملية التحويل، بينما يرتفع الجهد بسرعة. عادةً ما تظهر موجة TRV نبضة جهد صاعدة بسرعة.
قطع التيار الصغير وظاهرة القطع الوهمي
في الأنظمة الكهربائية، يمكن أن يؤدي قطع التيار الصغير إلى ظواهر تُعرف بـ قطع التيار والقطع الوهمي. هذه الظواهر لها تأثيرات كبيرة على جهد الاستعادة العابر (TRV) ويمكن أن تؤدي إلى زيادة الجهد وإعادة الاشتعال.
القطع الطبيعي مقابل قطع التيار
القطع الطبيعي: عندما يتم قطع التيار بشكل طبيعي عند نقطة الصفر، هذا هو العملية المثالية للتحويل. في هذه الحالة، يبقى TRV ضمن الحدود المحددة، ولا يحدث زيادة الجهد أو إعادة الاشتعال.
قطع التيار: إذا تم قطع التيار مبكرًا قبل أن يصل إلى الصفر، تسمى هذه الظاهرة قطع التيار. يؤدي قطع التيار المفاجئ إلى إنتاج جهد عابر مؤقت، مما يمكن أن يسبب إعادة الاشتعال ذات التردد العالي. هذا النوع من القطع غير الطبيعي يشكل خطراً محتملاً على مفتاح الدائرة والنظام.
عواقب قطع التيار
عندما يقوم مفتاح الدائرة بقطع التيار بالقرب من قمته، يرتفع الجهد تقريبًا فورًا. إذا تجاوز هذا الجهد الزائد القوة العازلة المحددة لمفتاح الدائرة، يحدث إعادة الاشتعال. عندما تتكرر هذه العملية عدة مرات، يستمر الجهد في الارتفاع بسرعة بسبب إعادة الاشتعال ذات التردد العالي. يتم التحكم في هذا التذبذب ذي التردد العالي بواسطة المعلمات الكهربائية للدائرة المرتبطة، وتكوين الدائرة، وتصميم مفتاح الدائرة، مما يؤدي إلى عبور الصفر قبل أن يصل التيار الفعلي ذو التردد المنخفض إلى الصفر.
الفروق بين قطع التيار والقطع الوهمي
قطع التيار: يحدث عندما يتم قطع التيار قبل أن يصل إلى الصفر، مما يؤدي إلى جهد عابر مؤقت وإعادة الاشتعال ذات التردد العالي.
القطع الوهمي: يحدث عندما يتم قطع التيار مباشرة قبل أن يصل إلى الصفر، رغم أنه قريب جداً من الصفر. يمكن أن يسبب هذا زيادة جهد طفيفة وإعادة الاشتعال.
مقارنة بين جهد الجانب الحمل وTRV
يوضح الرسم البياني التالي مقارنة بين جهد الجانب الحمل وTRV تحت سيناريوهين مختلفين:
قطع التيار عند نقطة الصفر: في هذه الحالة، يرتفع جهد الجانب الحمل بشكل مستقر، ويبقى TRV ضمن الحدود المحددة، مما يضمن التشغيل الطبيعي للنظام.
قطع التيار قبل نقطة الصفر (قطع التيار): هنا، يرتفع جهد الجانب الحمل بسرعة، ويزداد TRV بشكل كبير، مما قد يؤدي إلى زيادة الجهد وإعادة الاشتعال. من الواضح من هذا المثال أن السيناريو الثاني أكثر شدة.
أهمية فهم قطع التيار
لفهم أفضل لتأثير قطع التيار، ضع في اعتبارك تجاهل تأثيرات الخسائر الجانب الحمل. بعد قطع التيار عند نقطة الصفر، تكون الطاقة المخزنة على الجانب الحمل بشكل أساسي في المكثفات، حيث يصل الجهد إلى قيمته القصوى. ومع ذلك، إذا تم قطع التيار قبل الوصول إلى الصفر، لا يمكن تبديد الطاقة في المكثفات بشكل كامل، مما يؤدي إلى ارتفاع سريع للجهد وظهور مشاكل زيادة الجهد وإعادة الاشتعال.
(a) دائرة مكافئة. (b) قطع القوس عند نقطة الصفر. (c) قطع القوس قبل نقطة الصفر.
قطع التيار والظواهر العابرة ذات التردد العالي
في حالة قطع التيار، يمكن أن يؤدي عدم استقرار القوس بالقرب من نقطة الصفر إلى تدفق تيارات عابرة ذات تردد عالي في المكونات المجاورة للشبكة. يتراكب هذا التيار ذو التردد العالي على التيار الصغير ذو التردد المنخفض، والذي يتم قطعه فعليًا إلى الصفر. وبشكل محدد:
عدم استقرار القوس بالقرب من نقطة الصفر: مع اقتراب التيار من الصفر، قد يصبح القوس غير مستقر، مما يولد تيارات عابرة ذات تردد عالي. تتراكب هذه التيارات على التيار الصغير ذو التردد المنخفض، مما يعقد استجابة النظام العابرة.
تأثير التيارات العابرة ذات التردد العالي: وجود تيارات عابرة ذات تردد عالي يمكن أن يسبب زيادة الجهد وإعادة الاشتعال، خاصة في الأحمال المغناطيسية. بسبب التغيرات السريعة في هذه التيارات، يمكن أن تنتج قمم جهد عالية جدًا في وقت قصير، مما يشكل تهديدًا للمواد العازلة في النظام.
القطع الوهمي وتاثيراته
في حالة القطع الوهمي، يتم تفاقم عدم استقرار القوس بواسطة التذبذبات مع المراحل المجاورة، مما يؤدي إلى توليد تيارات ذات تردد عالي حتى قبل أن يصل التيار إلى الصفر. وبشكل محدد:
آلية القطع الوهمي: يحدث القطع الوهمي عادة عندما يكون التيار قريبًا ولكنه لم يصل بعد إلى الصفر. في هذه المرحلة، يمكن أن يتفاعل القوس مع التذبذبات من المراحل المجاورة، مما يؤدي إلى توليد تيارات ذات تردد عالي. هذا يزيد من عدم استقرار النظام ويزيد من خطر إعادة الاشتعال.
الظاهرة الملاحظة: تم ملاحظة القطع الوهمي في الأقواس الغازية في الهواء وSF6 والزيت. الأقواس في الفراغ حساسة للغاية لقطع التيار لأن القوس في بيئة الفراغ أكثر عرضة للظروف الخارجية، مما يؤدي إلى زيادة عدم الاستقرار.
أسباب القطع وإعادة الاشتعال
ظاهرة القطع وإعادة الاشتعال، بالإضافة إلى الجهد الزائد المتذبذب ذي التردد العالي المرتبط بها، تعود أساسًا إلى تصميم مفتاح الدائرة. وبشكل محدد:
التصميم لتيارات العطل العالية: يتم تصميم مفاتيح الدائرة عادة لمعالجة تيارات العطل العالية. إذا ركز التصميم فقط على الأداء الفعال للتيارات العالية، فقد يكون بنفس الكفاءة للتيارات الصغيرة، محاولًا قطعها قبل عبورها الصفر الطبيعي.
الآثار السلبية: يمكن أن يؤدي هذا النهج التصميمي إلى قطع التيار وإعادة الاشتعال، مما يؤدي إلى زيادة الجهد وأثر آخر غير مرغوب فيه. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي الجهد الزائد إلى تلف العزل في النظام، مما يؤدي إلى فشل المعدات أو تقصير عمرها.
تحسين تصميم مفتاح الدائرة
للمعالجة الفعالة لكل من التيارات الصغيرة والكبيرة، يجب أن يشمل تصميم مفتاح الدائرة عدة ميزات لضمان الأداء الموثوق به في ظروف مختلفة. تشمل التوصيات الخاصة:
التوازن في الأداء للتيارات الصغيرة والكبيرة: يجب أن يأخذ تصميم مفتاح الدائرة في الاعتبار كل من التيارات الصغيرة والكبيرة، مع تجنب التحسين المفرط لنوع واحد على حساب الآخر. على سبيل المثال، يمكن تعديل مواد نقاط التماس وتصميم غرفة إطفاء القوس واستراتيجيات التحكم لتعزيز الأداء عبر مستويات التيار المختلفة.
تخفيض التذبذبات ذات التردد العالي: يجب أن يهدف التصميم إلى تقليل التذبذبات ذات التردد العالي، خاصة بالقرب من نقطة الصفر. يمكن تحقيق ذلك عن طريق تقديم عناصر مخمد مناسبة أو تحسين معلمات الدائرة لتقليل التيارات العابرة ذات التردد العالي.
تعزيز أداء العزل: للتعامل مع الجهد الزائد المحتمل، يجب أن يكون تصميم العزل لمفتاح الدائرة له قوة عازلة كافية. اختيار مواد عازلة عالية الأداء وتحسين هيكل العزل يمكن أن يضمن العزل الموثوق به حتى في الظروف القصوى.
